半潜式钻井平台大型模块坞墩布置方案研究

粟 京王钰涵刘 健袁洪涛

（1. 中国海洋石油总公司 深水钻井船工程项目组 北京100028；2. 上海外高桥造船有限公司 上海200137；3. 中海油研究总院 北京100028）



半潜式钻井平台大型模块坞墩布置方案研究

粟 京1王钰涵2刘 健3袁洪涛2

（1. 中国海洋石油总公司 深水钻井船工程项目组 北京100028；2. 上海外高桥造船有限公司 上海200137；3. 中海油研究总院 北京100028）

［摘 要］半潜式钻井平台大型模块入坞后的坞墩布置对总组技术尤为重要。根据大型模块总组技术的特点，制定了大型模块进坞后的坞墩布置方案，并运用有限元的方法对模块的结构强度进行分析，而后对大型模块总组状态制定两种坞墩方案，对比分析两种方案的特点，最终确定大型模块总组时采用的坞墩布置方案。

［关键词］半潜式钻井平台；大型模块；坞墩布置方案；有限元分析

王钰涵（1986-），女，硕士，助理工程师，研究方向：海洋工程结构设计。

刘 健（1973-），男，博士，高级工程师，研究方向：海洋钻井装备。

袁洪涛（1979-），男，硕士，高级工程师，研究方向：海洋工程结构。

引 言

根据半潜式钻井平台大型模块化建造方案，将半潜式钻井平台分为上船体模块及“下船体+立柱”模块，大型模块进坞后将首先放置在坞内坐墩，以便安装提升装置进行总组；因此，大型模块的坞墩布置方案能够合理制定以保证强度的要求就显得尤为重要［1-4］。本文对大型模块坞内总组过程中的坞墩布置方案进行研究，首先，对大型模块进坞后状态制定了坞墩布置方案，运用有限元的方法对模块的结构强度进行分析；然后，针对大型模块总组状态制定两种坞墩方案，对比分析两种方案的特点，确定大型模块总组时采用的坞墩布置方案。

1　大型模块坞墩布置方案

根据新型模块化总组建造方案，在临港海工基地建造的3个大型模块，然后运往上海外高桥造船有限公司进行总组，3个大型模块分别为上船体模块和2个“下船体+立柱”模块，大型模块入坞后制定相应的坞墩布置方案。上船体模块分为双层底、中间甲板、主甲板，共3层，长85.3 m、宽71 m、高8.2 m、总重约19 000 t。“下船体+立柱”模块包括下船体与立柱，下船体总长106 m，宽16 m，高10.5 m，立柱高度20.5 m，左/右舷下船体+立柱的质量为6 300 t左右。

1.1上船体模块坞墩布置

1.1.1坞墩布置方案

坞墩的布置要按照一定的原则［4］，每只坞墩设定的位置应在船底纵向和横向强构架的交叉处。根据大型模块底部特点，坞墩纵向、横向均采用直线布置，且坞墩布置应根据建造计划顾及一次性移位座墩的新工艺。为防止大型模块和支墩出现局部破坏，需要结合上船体模块结构特点与实际施工情况，准确估算上船体模块的实际质量及其分布；同时考虑作业要求，并根据力平衡与力矩平衡原理，分析支墩和模块的受力，制定上船体模块的布墩方案，如图1所示。

图1　上船体模块坞墩布置图

1.1.2强度分析

在上述布置方案的基础上，运用有限元数值分析技术，建立大型模块有限元模型，如图2所示，并约束坞墩布置所在的节点为简支约束，对上船体模块的结构强度进行分析，确定该布墩方案下结构强度满足要求［5］。

图2　上船体模块有限元模型

通过计算可知，上船体模块结构的最大Von Mises应力为88.9 MPa（如图3所示），远小于材料的许用应力，故该坞墩布置方案安全可靠。

1.2“下船体+立柱”模块坞墩布置

1.2.1坞墩布置方案

根据坞墩布置原则，考虑“下船体+立柱”模块的结构特点与实际施工情况，制定其布墩方案（如图4所示）。

图4　“下船体+立柱”模块坞墩布置

1.2.2强度分析

在上述布置方案基础上，运用有限元数值分析技术，建立“下船体+立柱”模块有限元模型（图5），并将坞墩处理为大型模块的简支约束，选择一系列布墩所在的节点作为约束点简支固定（即约束位移，不约束转角）。载荷为大型模块自重，不考虑坞墩变形，对“下船体+立柱”模块的结构强度进行分析，验证结构强度是否满足要求。“下船体+立柱”模块坞墩约束示意图见下页图6。

图5　“下船体+立柱”模块有限元模

图6　“下船体+立柱”模块坞墩约束示意图

通过计算可知，“下船体+立柱”模块结构的最大Von Mises应力为22.9 MPa，如图7所示，远小于材料的许用应力，故该坞墩布置方案安全可靠。

图7　“下船体+立柱”模块Von Mises应力云

2　大型模块总组状态坞墩布置方案

上船体模块和“下船体+立柱”模块坞内提升总组过程中，整个平台的质量逐步由“下船体+立柱”模块坞墩承担，故该状态下坞墩的布置及结构设计均按承受整个半潜式钻井平台重力作用考虑。

2.1方案1

在全部坞墩都采用水泥坞墩的前提下，必须对立柱下方区域加大水泥坞墩布设的密度，即在每个立柱下方大约18.6 m×15.8 m范围内布设92个水泥坞墩，如图8所示。为分散坞墩对坞底的压力，此方案采用坞墩下均布钢板的形式，钢板可采用公司现有的规格为：25×4 000×8 000或25×4 000×12 000的麻点钢板。

图8　方案1的坞墩布置示意图

经过计算，立柱下方坞墩的受力情况基本上都在许用范围之内，左浮筒两立柱下方各坞墩受力情况见表1和下页表2（P.C.L代表左侧浮筒结构的中心线）。

表1　左后立柱区域坞墩支承力t

根据方案1计算出的左浮筒各肋位总受力情况以及各肋位坞墩单位面积受力情况参见图9。由计算结果可知，通过重新布置坞墩的数量和位置，可以满足水泥坞墩的强度要求，故此方案切实可行。

图9　左浮筒各肋位所受总压力情况

表2　左前立柱区域坞墩支承力

2.2方案2

考虑到方案1因立柱下方水泥坞墩密度过大，造成后续施工及坞墩移动困难，可在保持该方案坞墩布置数量和位置的前提下，在受力最大的立柱下方采用钢坞墩的形式。考虑到钢坞墩的承载能力较水泥坞墩强，其立柱下方的钢坞墩布置密度可适当减少，布置方案类似于方案1，如图10所示。

图10　方案2的坞墩布置示意图

钢制坞墩采用与水泥坞墩相近似的结构型式，为方便建造，坞墩高度定为1 200 mm，采用AH36钢制作。顶板、底板分别为1 600×300、2 000×500的矩形；侧板为相应尺度的梯形板。坞墩内部为防止受压屈曲，设置直径为200 mm的圆柱，壁厚16 mm。为将压力均匀传递，在坞墩内靠近顶板位置设置肘板以过渡。由于侧板不起主要支承作用，在侧板距离底部200 mm处开挖800×450人孔，以减轻结构质量并便于施工人员出入。钢制坞墩有限元模型如图11所示。对钢制坞墩进行有限元强度分析，只考虑静态载荷的作用，即坞墩所承受的最大压力，获得最大的Von Mises应力为214 MPa，出现在支柱上，具体位置如图12所示。计算求得的最大应力小于材料的许用应力，满足结构强度要求。应力云图见图12 -图14所示。

图11　坞墩结构示意图

图12　支柱Von Mises应力云图

图13　底板Von Mises应力云图

图14　侧板Von Mises应力云图

2.3两种方案对比分析

根据上述两个坞墩布置方案的计算分析可知，方案1和方案2是可行的，这两种方案进行对比分析见表3。因考虑到成本等因素，半潜式钻井平台的提升总装过程中，坞墩的布置和结构型式采用方案1。

表3　两种坞墩布置方案的对比

此外，方案2（钢坞墩方案）是满足使用要求的，并且具备非常大的可操作性。在各项性能上均优于水泥坞墩密布的布置方案。虽然成本略高，但鉴于其布设的方便性以及今后海洋工程发展的需要，其成本尚属可控范围之内；因此该方案可作为一种可行替代方案备用。

3　结 论

本文根据半潜式钻井平台大型模块的结构特点制定了大型模块坞内总组过程中的坞墩布置方案，取得以下成果：

（1）制定了上船体模块及“下船体+立柱”模块入坞后坞墩布置方案，并对大型模块的强度进行分析，证明在该坞墩布置方案下大型模块的结构强度满足要求，该方案切实可行。

（2）在大型模块总组状态下制定了两种坞墩布置方案：方案1为水泥坞墩，方案2为自制的钢制坞墩，通过分析获知两种方案均可采用。通过对两种方案进行对比、分析，方案2的性能优于方案1，但考虑到经济性等原因，本文则选用方案1的坞墩布置方案。

［参考文献］

［1］ 曾骥. 深水半潜式钻井平台关键技术研究.［D］ 哈尔滨工程大学博士学位论文，2013.

［2］ 陈刚，吴晓源. 深水半潜式钻井平台的设计和建造研究.［J］ 船舶与海洋工程，2012（1）：9-14.

［3］ 周贵斌，王树青，成斌. 半潜式起重平台上船体吊装有限元强度分析［J］. 船舶，2011（1）：54-56.

［4］ 邓波，陈献军，王辉辉. 船舶入浮船坞的坞墩优化布置［J］ .造船技术，2008（6）：22-23.

［5］ 王福花，朱云翔，王维. 大型舰船坐坞强度衡准与计算方法.［J］ 中国造船，2009，49：83-90.

Research of blocks arrangement plan of semi-submersible drilling unit large module

SU Jing1WANG Yu-han2LIU Jian3YUAN Hong-tao2
（1. Deepwater Drilling Ship Project Group of China National Offshore Oil Corporation， Beijing 100028， China；2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.， Ltd.， Shanghai 200137， China；3. Cnooc Research Institute， Beijing 100028， China）

Abstract：The arrangement of docking blocks has great significance to final assembly technology after the large modules of the semi-submersible drilling unit have been docked. According to the characteristics of the final assembly technology for large modules， the arrangement plan of docking blocks was made， and the structure strength of the modules was analyzed by the finite element method. Then two arrangement plans of docking blocks were made for large modules in the final assembly phase. Finally， the arrangement plan of docking blocks in the final assembly phase was decided by the comparison of the two plans.

Keywords：semi-submersible drilling unit； large module； arrangement plan of docking blocks； finite element analysis

［中图分类号］U661.43

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）03-0059-08

［基金项目］国家科技重大专项项目27（2011ZX05027-001-04）。

［收稿日期］2015-10-09；［修回日期］2015-11-17

［作者简介］粟 京（1956-），男，高级工程师，研究方向：海洋工程结构、海管。